髂靜脈支架植入后髂腔靜脈連接部流場分布的PIV測試

張喜成 奚斌 黃才安 陳兆雷 徐淼 潘廣銳 李曉強(qiáng)

·介入技術(shù)·

髂靜脈支架植入后髂腔靜脈連接部流場分布的PIV測試

張喜成 奚斌 黃才安 陳兆雷 徐淼 潘廣銳 李曉強(qiáng)

目的 通過粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）測試髂靜脈支架植入后對(duì)髂腔靜脈連接部流場的影響。方法 制作髂腔靜脈連接部的物理模型，利用甘油水溶液作為循環(huán)液，金屬氧化顆粒作為示蹤粒子，利用PIV技術(shù)對(duì)流場進(jìn)行測試。結(jié)果 支架植入前，雙側(cè)髂靜脈分腿的液體匯入下腔靜脈后主流動(dòng)方向基本位于中軸線，植入左髂靜脈支架并覆蓋對(duì)側(cè)的髂靜脈開口后，雙側(cè)髂靜脈匯合后的液體主流動(dòng)方向右偏移，流速無明顯降低，未見到明顯的渦流產(chǎn)生。 結(jié)論 髂靜脈支架植入后覆蓋對(duì)側(cè)的髂靜脈開口，PIV測試未見流速明顯改變及明顯渦流，表明裸支架植入后完全覆蓋對(duì)側(cè)髂靜脈開口對(duì)局部流場影響較小。

髂靜脈； 裸支架； 粒子圖像測速技術(shù)

髂靜脈受壓綜合征（Iliac vein compression syndrome, IVCS）是導(dǎo)致下肢深靜脈血栓形成（DVT）和下肢慢性靜脈功能不全的重要原因[1]，腔內(nèi)治療是其首選治療方法，多選擇球囊擴(kuò)張和支架植入術(shù)[2]。為避免支架植入后的移位及再狹窄，較多文獻(xiàn)認(rèn)為支架的前端需要部分或全部進(jìn)入下腔靜脈[3]，如此覆蓋對(duì)側(cè)髂靜脈的網(wǎng)狀支架是否會(huì)造成血液回流障礙或血栓形成？目前研究多為回顧性臨床研究，還缺乏前瞻性研究和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）是一種檢測流場狀態(tài)的可視化技術(shù)，近年也逐漸被應(yīng)用于心血管系統(tǒng)的流場測試。本實(shí)驗(yàn)采用PIV技術(shù)對(duì)髂靜脈的流場進(jìn)行測試，觀察支架植入前后的局部流場變化。

材料與方法

一、影像學(xué)資料的收集及數(shù)據(jù)測定

收集我院2008年5月—2013年11月行髂靜脈CT靜脈成像（CTV）檢查的病例共100例，男56例，女44例，平均（43.2±7.6）歲。測量雙髂靜脈與下腔靜脈之間的夾角，彩色多普勒測定50例健康人群的髂靜脈血液流速、髂腔靜脈直徑，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后制作下腔靜脈、髂靜脈的體外物理模型。

二、體外物理模型制作

采用模具灌注成型的玻璃管狀模型，為倒“Y”型結(jié)構(gòu)，該管狀模型的的幾何要求：下腔靜脈、左右髂總靜脈位于同一平面內(nèi)，截面均為圓形。根據(jù)流動(dòng)的相似性原理，以及為滿足該實(shí)驗(yàn)中PIV測試所需的要求，本實(shí)驗(yàn)中的模型建立按照所測直徑，依照1.2∶1的比例來制作髂腔靜脈連接部的物理模型。

三、PIV測試的相關(guān)儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中所進(jìn)行的PIV測試，在揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院的水利動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)所采用的PIV設(shè)備，為北京立方天地科技發(fā)展有限責(zé)任公司的MicroVec3 PIV系統(tǒng)，包括激光光源系統(tǒng)（DM3-4M350）、自相關(guān)/互相關(guān)攝像機(jī)（SMCCDB660）、同步器（MicroPulse 725）以及圖像采集及分析處理系統(tǒng)（MicroVec3軟件系統(tǒng)）。

四、PIV測試方法

1.測試裝置的安裝：本實(shí)驗(yàn)采用的主要循環(huán)裝置如下：①髂靜脈、下腔靜脈連接部的玻璃管狀模型；②循環(huán)儲(chǔ)水箱，用于儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)所用液體，通過軟管連接玻璃的血管模型的上游和下游；③用于調(diào)節(jié)液體流速的流量計(jì)，可隨時(shí)調(diào)節(jié)流體的流速；④用于驅(qū)動(dòng)流體循環(huán)的動(dòng)力泵，可將水箱的液體泵入玻璃管模型中；⑤用于檢測流場相關(guān)信息的PIV系統(tǒng)。將制成的玻璃管狀模型浸入裝有甘油水溶液的玻璃水槽中固定，目的是減少激光照射產(chǎn)生的光線二次折射。下端兩個(gè)髂靜脈分腿分別通過2個(gè)軟管與循環(huán)儲(chǔ)存水箱內(nèi)的循環(huán)動(dòng)力泵連接，中間連接測定流速的流量計(jì)；通過循環(huán)動(dòng)力泵的作用可以將水槽中的液體泵經(jīng)兩分腿進(jìn)入玻璃管狀模型，然后再從上方的下腔靜脈主管以軟管連接回流入水箱中。如此可保證儲(chǔ)水箱中的水位維持穩(wěn)定。

2.循環(huán)液及示蹤粒子：為模擬黏度與血液相似的非牛頓流體特性，本實(shí)驗(yàn)循環(huán)液制作如下：將純凈水放置沉淀48 h后，取上層純凈水50 L，加入化學(xué)純甘油17.5 L，該溶液密度ρ=1.1×103㎏/m3，黏度μ=3.75 mPa·s。本實(shí)驗(yàn)中循環(huán)流體的示蹤粒子選用金屬氧化顆粒，直徑500 nm。該循環(huán)測試裝置以及PIV測試設(shè)備的組成連接見圖1。

圖1 髂腔靜脈連接部模型的流場測試示意圖

3.PIV的實(shí)驗(yàn)過程：本研究重點(diǎn)為雙髂靜脈匯合部和下腔靜脈遠(yuǎn)端的流場流速變化，故只對(duì)該部位的垂直平面進(jìn)行PIV測量。搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)測試系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試，校準(zhǔn)激光的片源，使其正好投照雙髂靜脈、下腔靜脈分叉平面，CCD相機(jī)固定于片光源與模型中軸正交的前方約100 cm位置，保持CCD相機(jī)與檢測區(qū)域同一水平。啟動(dòng)循環(huán)動(dòng)力泵，使水槽中的流體經(jīng)下端兩個(gè)分腿進(jìn)入模型。因流動(dòng)的相似性原理，本實(shí)驗(yàn)中髂靜脈流速調(diào)整為20 cm/min，調(diào)整激光片光源脈沖頻率為50 Hz，每個(gè)脈沖能量為350 mj；CCD相機(jī)調(diào)整為12bit級(jí)灰度識(shí)別示蹤粒子，采樣頻率為260幀/秒，記錄所測區(qū)域流體的流動(dòng)規(guī)律和PIV粒子圖像，將圖像信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)測試項(xiàng)目分別為管狀模型在支架植入前后的髂腔靜脈連接部的流場變化情況。血管支架植入方法：從左側(cè)髂靜脈分腿中植入血管支架12 mm×80 mm（Maris，美敦力醫(yī)療有限公司，美國），支架前端完全進(jìn)入下腔靜脈、并完全覆蓋對(duì)側(cè)的髂靜脈開口，見圖2。

結(jié) 果

1.模型制作相關(guān)數(shù)據(jù)：根據(jù)所測得的髂、下腔靜脈直徑，按照1.2∶1的比例，本研究中所制模型的髂靜脈直徑為14 mm，腔靜脈直徑為22 mm。雙側(cè)分腿的夾角設(shè)計(jì)為70°，其中右髂腔靜脈夾角為25°，左髂腔靜脈夾角為45°。

2.支架植入前的流場測試情況：正常髂腔靜脈流場測試情況的流速圖與流線圖見圖3、4，從圖中可以看出，兩側(cè)髂靜脈分腿的流體以相同的流速匯合后進(jìn)入下腔靜脈，但流體匯合后的主流動(dòng)方向基本位于下腔靜脈的中央，雙側(cè)髂靜脈匯合后的流場未見其他明顯異常。

圖2 髂靜脈支架植入前端進(jìn)入下腔靜脈的示意圖

圖3 髂腔靜脈連接部管狀模型的流速圖

圖4 髂腔靜脈連接部管狀模型的流線圖

3．植入血管支架后的髂腔靜脈流場測試情況：將血管支架植入左髂靜脈分腿，前端送入下腔靜脈中，并完全覆蓋右髂靜脈開口。PIV測試流場測試情況見圖5、6。從圖中可見，支架植入后因受到金屬支架的二次折射，示蹤粒子的圖像在支架部位受到一定程度的影響。雙側(cè)髂靜脈血流以相同的流速匯入下腔靜脈后，流體的主流動(dòng)方向右側(cè)明顯偏移，血管支架的上緣與下腔靜脈的左內(nèi)壁之間的出現(xiàn)部分流速降低區(qū)域，但雙髂靜脈的流速并無變化，也未出現(xiàn)明顯的渦流現(xiàn)象。

圖5 支架置入后髂腔靜脈的流場測試流線圖，主流動(dòng)方向右偏（黃箭頭）

圖6 支架置入后髂腔靜脈的流場測試流速圖，主流動(dòng)方向右偏（黃箭頭）

討 論

IVCS是血管外科常見病之一，血管支架植入是其常用的治療方法[4-6]。文獻(xiàn)報(bào)道非血栓性的IVCS行支架植入術(shù)后3～5年通暢率高達(dá)90～100%，下肢深靜脈血栓治療后的髂靜脈狹窄或閉塞的支架植入術(shù)，術(shù)后遠(yuǎn)期通暢率也達(dá)到67%～93%[3-4]，提示髂靜脈支架植入具有良好的遠(yuǎn)期通暢率。

在植入的髂靜脈支架近端的具體定位目前尚有爭議，有學(xué)者認(rèn)為如支架進(jìn)入下腔靜脈過少，后期支架容易受壓移位，建議支架進(jìn)入下腔靜脈20～30 mm[3-4,7]。Hartung等[3]研究發(fā)現(xiàn)：血管支架前段完全進(jìn)入下腔靜脈者，術(shù)后發(fā)生對(duì)側(cè)髂靜脈閉塞或深靜脈血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)在0.9%～1%以下，相反如支架前端僅覆蓋髂靜脈病變，未完全進(jìn)入下腔靜脈者，則患側(cè)的髂靜脈遠(yuǎn)期再狹窄或閉塞的風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)40%。但也有研究認(rèn)為支架頭端應(yīng)盡量較少進(jìn)入下腔靜脈，以避免覆蓋對(duì)側(cè)髂靜脈開口，減少影響血液回流或?qū)?cè)形成血栓的可能性[8]。因此，髂靜脈支架頭端是否需進(jìn)入下腔靜脈，覆蓋對(duì)側(cè)的髂靜脈是否影響其血液回流，尚需進(jìn)一步的研究論證。

PIV技術(shù)是目前檢測流場最準(zhǔn)確的可視化技術(shù)，近年發(fā)展較快[10-12]。其原理是通過在體外構(gòu)建流體模型，選擇有良好跟隨性的示蹤粒子，這些粒子在流經(jīng)特定平面時(shí)被脈沖激光連續(xù)照亮2次，數(shù)字照相技術(shù)將粒子圖像拍攝記錄下來，通過計(jì)算機(jī)圖像軟件的后續(xù)處理，就可得到示蹤粒子在某個(gè)特定時(shí)間內(nèi)的位移，計(jì)算出流場的相關(guān)信息。這樣通過PIV技術(shù)，我們就可相對(duì)準(zhǔn)確詳盡的得到同一時(shí)刻的流場特點(diǎn)。

目前國內(nèi)外對(duì)髂腔靜脈的流體動(dòng)力學(xué)方面鮮有研究，在髂靜脈狹窄的局部流場變化、支架植入后對(duì)流場的影響等方面了解甚少。本研究發(fā)現(xiàn)在髂靜脈支架植入前，雙側(cè)髂靜脈分腿的血流匯合后，流體的主流動(dòng)方向基本位于中軸線。植入左髂靜脈支架后，因裸支架網(wǎng)絲遮擋作用，較大角度的左髂靜脈血流受到來自右髂靜脈血流的沖擊力減少，主流動(dòng)方向在下腔靜脈向右側(cè)偏移。另外，在支架的上方與下腔靜脈的左內(nèi)側(cè)壁支架也出現(xiàn)一定區(qū)域的低流速區(qū)域。但支架植入前后，雙側(cè)髂靜脈血液回流的流速無變化，也未見明顯的渦流區(qū)域。

本實(shí)驗(yàn)證實(shí)支架植入后對(duì)髂腔靜脈連接部的血液流速的影響并不明顯，這與我們原來的設(shè)想不同，提示在髂靜脈支架植入的早期，還不會(huì)對(duì)局部的流場造成明顯的干擾。在支架和下腔靜脈左側(cè)壁之間有一定的流速降低區(qū)域，該區(qū)域在后期是否容易引起局部大分子物質(zhì)的沉積、誘發(fā)局部血栓形成，或促進(jìn)血管內(nèi)膜增生等，今后還需進(jìn)一步研究。

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The study of particle image velocimetry in measuring the fow felds distribution at the iliocava junction afteriliac venous stent implantation

Zhang xicheng*, Xi Bin, Huang Caian, Chen Zhaolei, Xu Miao,Pan Guangrui, Li Xiaoqiang.*Clinical Medicine College of Yangzhou University, Yangzhou 225001,China

Li Xiaoqiang, Email:fytsg@126.com

Objective To discuss the impact of iliac venous stent implantation upon the contralateral iliac vein detected by particle image velocimetry (PIV). Methods The iliocava junction models were in vitro constructed , The working fuid consists of glycerine and water mixed similar to human blood,and the metal oxide particles were used to be the tracer particles.PIV technology was used to study the flow fields of the iliocava junction models. Results Before the stent implantation, bilateral iliac venous blood fows converged at the inferior vena cava and the main blood fow was located at the middle axes. Then the bare stent was implanted into the left iliac vein,proximal end of the stent completely covered the opening of the right iliac vein and entered into the inferior vena cava.The direction of the main convergence fow of bilateral iliac venous fuid was signifcant shifted to the right side. Neither signifcant reduction in the velocity of bilateral iliac , venous fow nor obvious eddy current was observed. Conclusions After iliac venous stent implantation,and it's proximal end entered into the inferior vena cava, PIV revealed moderate changes in the velocity felds of the iliocava junction before and after stent implantation, suggesting that complete coverage of bare stent on the opening of contralateral iliac vein seldom affects its blood fow after stent implantation.

Iliac vein; Bare stent; Particle image velocimetry

2015-10-20)

（本文編輯：王劍鋒）

10.3877/cma.j.issn.2095-5782.2015.04.010

225001,揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院（張喜成，陳兆雷，徐淼，潘廣銳）；揚(yáng)州大學(xué)水利學(xué)院（奚斌，黃才安）；蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院血管外科（李曉強(qiáng)）

李曉強(qiáng)，Email:fytsg@126.com

張喜成，奚斌，黃才安，等.髂靜脈支架植入后髂腔靜脈連接部流場分布的PIV測試[J/OD].中華介入放射學(xué)電子雜志, 2015,3(4)：211-214.